FR4 based electromagnetic energy harvesters for wireless sensor nodes

Kablosuz Sensör Düğümleri çevresel verileri incelemek üzere birçok mühendislik uygulamalarında kullanılır. Batarya ile bu küçük sensörlere güç sağlamak mümkün değildir. Çünkü bataryanın düzenli değiştirme ihtiyacı ve büyüklüğü nedeniyle uzun süreli kullanımı bu sensörler için uygun değildir. Bu nedenle, bu sensörler çalışma ortamındaki titreşimi elektrik enerjisine harmanlama yoluyla ile beslenebilir. Elektromanyetik (EM) yolla elektrik enerjisi elde etmek, bir kablosuz sensör ağında bulunan kablosuz sensörleri beslemek için en umut verici yollarından biridir. Bu tezde, FR4, en yaygın olarak kullanılan bir baskı devre (PCB) malzemesi, vücuta giyilebilen sensörleri ve akıllı lastik sensörleri için EM enerji harmanlanması uygulamalarında mekanik bir titreşim yapısı olarak kullanılması önerilmektedir. Bu tarz titreşim kaynaklarının darbe frekansları düşük olmasına rağmen ve darbe müddeti kısa olmasına rağmen, harmonik içeriği oldukça zengindir. FR4 bu tür uygulamalar için Silikondan daha iyi bir malzeme olduğunu kanıtlamaktadır. Hareketli mıknatıs, sabit bobin tipli FR4 bazlı EM jeneratörlerin performansları ve geniş bant tepkileri bu çalışma boyunca deneylerle araştırıldı. Bu deneylere başlamadan önce bir manyetik-elektro-manyetik sayısal modeli de geliştirildi. Manyetik sönümleyici etkileri de bu simulasyon modeline dahil edildi . Daha sonra FR4 sistemi deneysel olarak elde edilen, koşan bir insanın kalça bölgesinde oluşan gerçek ivmelenme sinyalleri ile simule edildi. Numerik model, 15 m/s2 ivme girişi ile 100 ? luk yük direncinde 40 ?W güç elde edildiğini tahmin etmektedirFR4 yayların deplasmanını azaltmak için ve neredeyse periyodik ve sinusoid olmayan zengin harmonik içerikli yüksek şiddetteki ivmelenmelerden efektif enerji harmanlamasını sağlamak için mekanik durdurucu yapılar cihaza entegre edilmiştir.Bu durdurucular daha sonra lineer olmayan bir şekilde tasarlanıp akıllı lastik uygulamaları için kompakt FR4 enerji üreticilerine büyük şoklara dayanıklı olacak şekilde entegre edilmiştir. Teker içinde oluşan gerçek yüzeysel kontak sinyalleri kullanılarak yapılan deneylerde 100 ? luk bir yük direnci üzerinde 0,4 mW güç elde edimiştir. Bu güç değeri çalkalayıcının frekans değerleri ile sınırlı kalmıştır. Gerçek teker operasyonunda güç değerlerinin 1 mW civarına ulaşacağı tahmin edilmektedir ki bu kablosuz sensor düğümleri için yeterli bir güç miktarıdır.